CN102289157B - 复合光子筛投影式光刻系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微纳加工技术领域，公开了一种复合光子筛投影式光刻系统，该系统包括依次放置的照明系统、掩模板、复合光子筛和衬底，其中：照明系统，用于产生入射光，并将该入射光照射至掩模板；掩模板，用于提供复合光子筛成像的物方，入射光透过掩模板后被照射至复合光子筛；复合光子筛，用于实现成像功能，将掩模板上的图形在衬底上成像；衬底，用于接收复合光子筛对掩模板上图形所成的像。利用本发明，由于采用复合光子筛代替传统投影式光刻系统中的投影物镜，不仅能够保留传统投影式光刻系统效率高的优点，实现快速的大批量光刻，提高光刻效率，而且可以有效地降低成本，减小系统体积。

Description

复合光子筛投影式光刻系统

技术领域

本发明涉及微纳加工技术领域，具体涉及一种复合光子筛投影式光刻系统。

背景技术

当前集成电路制造工艺中普遍采用投影式光刻系统，即利用投影物镜将掩模板上的图形在衬底面上缩小成像，然后再结合其它工艺步骤实现图形的转移。现有的投影式光刻系统其核心结构如图1所示，由照明系统1、掩模板2、投影物镜3和衬底4构成。其中照明系统1位于系统最上方，用于产生高质量的入射光源。掩模板2位于照明系统1的下方，用于提供投影物镜成像的物方。投影物镜3位于掩模板2的下方，用于实现成像功能。衬底4位于投影物镜3的下方，用于接收成像结果并且实现后续工艺步骤。掩模板2、投影物镜3和衬底4之前的距离满足透镜成像的物像关系。

由于成像分辨率与投影物镜的数值孔径成正比关系，同时透镜的相差也会极大地降低成像的分辨率，为了实现较高的分辨率，投影物镜需要很大的数值孔径，并且有着很高成像质量要求。这些特点对重量大于一吨的大数值孔径投影物镜系统的设计、加工和装配过程提出了苛刻的要求。

相对于投影式光刻系统，直写光刻系统无需掩模板，而是采用聚焦元件获得的极小光斑在衬底上直接形成图形。波带片无掩模直写系统和光子筛无掩模直写系统分别是采用波带片和光子筛作为聚焦元件获得的极小光斑。由于采用了波带片和光子筛代替了复杂而昂贵的投影物镜，波带片无掩模直写系统和光子筛无掩模直写系统均可以有效地降低制造成本，并且减小光刻系统的体积。

但是，波带片无掩模直写系统和光子筛无掩模直写系统均属于直写光刻系统，不能通过掩模板实现快速的大批量光刻，效率要远低于投影式光刻系统。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种复合光子筛投影式光刻系统，以实现快速的大批量光刻，提高光刻效率，并降低成本，减小系统体积。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种复合光子筛投影式光刻系统，该系统包括依次放置的照明系统1、掩模板2、复合光子筛3和衬底4，其中：照明系统1，用于产生入射光，并将该入射光照射至掩模板2；掩模板2，用于提供复合光子筛3成像的物方，入射光透过掩模板2后被照射至复合光子筛3；复合光子筛3，用于实现成像功能，将掩模板2上的图形在衬底4上成像；衬底4，用于接收复合光子筛3对掩模板2上图形所成的像。

上述方案中，所述复合光子筛3包括透光基底和镀在该透光基底上的不透光的金属薄膜。所述金属薄膜上分布有一系列透光环带和若干透光小孔，该若干透光小孔构成该复合光子筛3的一级衍射光子筛部分，该透光环带构成复合光子筛3的三级衍射波带片部分。所述若干透光小孔均位于半径最小的透光环带内。

上述方案中，所述透光小孔为平面式透光小孔，随机分布在内半径为r_n，外半径为r_n′的环带上，所有透光小孔之间不重叠，紧密排列或者稀疏排列，且圆心落在各环带的中心线上，其中：

n＝1、2、……、N；λ为照明系统1产生的入射光的波长，f为复合光子筛3的焦距，N为内环一级衍射光子筛的总环带数，且N为满足d_N≥Δr且d_N+1＜Δr的自然数，Δr为制造工艺所允许的最小线宽，对应于第n个环带上的透光小孔的直径d_n＝1.5(r_n′-r_n)。

上述方案中，所述透光环带为平面式环带，每一透光环带的内半径为r_m，外半径为r_m′，其中： $r_m^2=(2N-2+6m)\mathrm{\λf}+\frac{1}{4}{(2N-2+6m)}^2{\mathrm{\λ}}^2,$ $r_m^{\′2}=(2N-2+6m+3)\mathrm{\λf}+\frac{1}{4}{(2N-2+6m+3)}^2{\mathrm{\λ}}^2,$ 透光环带的宽度w_m＝r_m′-r_m，m＝1、2、……、M；λ为照明系统1产生的入射光的波长，f为复合光子筛3的焦距，M是外环三级衍射波带片的总环带数，且M为满足w_M≥Δr且w_M+1＜Δr的自然数，Δr为制造工艺所允许的最小线宽。

上述方案中，所述透光基底采用透光材料制作而成，该透光材料为熔融石英、普通玻璃或有机玻璃。所述不透光的金属薄膜采用铬、金、铝或铜制作而成，所述不透光的金属薄膜的厚度应足够大，以完全遮挡入射光。

上述方案中，所述复合光子筛3具有金属薄膜的一面面向衬底4放置。所述掩膜板2与复合光子筛3之间的距离s以及复合光子筛3与衬底4之间的距离v满足物象关系，即：

$\frac{1}{s}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f}$

其中f是复合光子筛3的焦距。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的复合光子筛投影式光刻系统，由于采用复合光子筛代替传统投影式光刻系统中的投影物镜，不仅能够保留传统投影式光刻系统效率高的优点，实现快速的大批量光刻，提高光刻效率，而且可以有效地降低成本，减小系统体积。

2、本发明提供的复合光子筛投影式光刻系统，相对于传统的投影物镜，所采用的复合光子筛仅由透光衬底和金属薄膜构成，具有体积小、重量轻、制造成本低的优点，同时光子筛的像差要优于传统的投影物镜。

3、本发明提供的复合光子筛投影式光刻系统，相对于基于波带片和光子筛的无掩模直写光刻系统，所采用的投影式光刻系统可以通过掩模板进行大批量光刻，具有效率高的优点。

4、本发明提供的复合光子筛投影式光刻系统，所采用的复合光子筛内环部分采用一级衍射的光子筛设计，外环部分采用三级衍射的波带片，这种结构能够通过内环的光子筛实现信噪比的提高，而且通过引入外环的三级衍射波带片，增加了复合光子筛的面积，相对于单一的波带片、光子筛，同等特征尺寸下，可以进一步提高数值孔径以及信噪比。

附图说明

图1为现有的投影式光刻系统的结构示意图；

图2为依照本发明第一实施例的复合光子筛投影式光刻系统的结构示意图；

图3为依照本发明第一实施例的复合光子筛投影式光刻系统中复合光子筛的示意图；

图4为依照本发明第二实施例的复合光子筛投影式光刻系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的复合光子筛投影式光刻系统，采用复合光子筛代替传统投影式光刻系统中的投影物镜，包括依次放置的照明系统1、掩模板2、复合光子筛3和衬底4。其中，照明系统1用于产生入射光，并将该入射光照射至掩模板2；掩模板2用于提供复合光子筛3成像的物方，入射光透过掩模板2后被照射至复合光子筛3；复合光子筛3用于实现成像功能，将掩模板2上的图形在衬底4上成像；衬底4用于显示复合光子筛3对掩模板2上图形所成的像。

复合光子筛3包括透光基底和镀在该透光基底上的不透光的金属薄膜。透光基底采用透光材料制作而成，该透光材料为熔融石英、普通玻璃或有机玻璃等。不透光的金属薄膜采用铬、金、铝或铜等制作而成，不透光的金属薄膜的厚度大于80nm。

金属薄膜上分布有一系列透光环带和若干透光小孔，该若干透光小孔构成该复合光子筛3的一级衍射光子筛部分，该透光环带构成复合光子筛3的三级衍射波带片部分。若干透光小孔均位于半径最小的透光环带内。

透光小孔为平面式透光小孔，随机分布在内半径为r_n，外半径为r_n′的环带上，所有透光小孔之间不重叠，紧密排列或者稀疏排列，且圆心落在各环带的中心线上，其中： $r_n^2=2\mathrm{n\λf}+n^2{\mathrm{\λ}}^2,r_n^{\′2}=(2n+1)\mathrm{\λf}+\frac{1}{4}{(2n+1)}^2{\mathrm{\λ}}^2,$ n＝1、2、……、N；λ为照明系统1产生的入射光的波长，f为复合光子筛3的焦距，N为内环一级衍射光子筛的总环带数，且N为满足d_N≥Δr且d_N+1＜Δr的自然数，Δr为制造工艺所允许的最小线宽，对应于第n个环带上的透光小孔的直径d_n＝1.5(r_n′-r_n)。

透光环带为平面式环带，每一透光环带的内半径为r_m，外半径为r_m′，其中： $r_m^2=(2N-2+6m)\mathrm{\λf}+\frac{1}{4}{(2N-2+6m)}^2{\mathrm{\λ}}^2,$ $r_m^{\′2}=(2N-2+6m+3)\mathrm{\λf}+\frac{1}{4}{(2N-2+6m+3)}^2{\mathrm{\λ}}^2,$ 透光环带的宽度w_m＝r_m′-r_m，m＝1、2、……、M；λ为照明系统1产生的入射光的波长，f为复合光子筛3的焦距，M是外环三级衍射波带片的总环带数，且M为满足w_M≥Δr且w_M+1＜Δr的自然数，Δr为制造工艺所允许的最小线宽。

另外，在放置照明系统1、掩模板2、复合光子筛3和衬底4时，复合光子筛3具有金属薄膜的一面面向衬底4放置，掩膜板2与复合光子筛3之间的距离s以及复合光子筛3与衬底4之间的距离v满足物象关系，即：

其中，f是复合光子筛3的焦距。

基于上述对本发明提供的复合光子筛投影式光刻系统的描述，图2示出了依照本发明第一实施例的复合光子筛投影式光刻系统的结构示意图，该系统包括照明系统1、掩模板2、复合光子筛3和衬底4。其中，照明系统1采用193nm的激光器以及相应的扩束准直系统，用于产生高质量的入射光源。掩模板2采用193nm工艺集成电路制造通用的掩模板，由透光玻璃衬底及镀在该透光衬底上的不透光的金属薄膜构成，用于提供光子筛成像的物方。复合光子筛3采用透光衬底和镀在该透光衬底上的不透光的金属薄膜构成，用于实现成像功能。衬底4采用硅及涂在硅表面的光刻胶构成，用于接收成像结果并且实现后续工艺步骤。

在本实施例中，照明系统1位于系统最上方，用于产生高质量的入射光源。掩模板2位于照明系统1的下方，用于提供光子筛成像的物方。复合光子筛3位于掩模板2的下方，用于实现成像功能。衬底4位于复合光子筛3的下方，用于接收成像结果并且实现后续工艺步骤。掩模板2、复合光子筛3和衬底4之前的距离满足透镜成像的物像关系。复合光子筛3需要反向放置，即金属薄膜面面向衬底4放置。

在本实施例中，掩膜板2与复合光子筛之间的距离s以及复合光子筛与衬底之间的距离v应该满足物象关系，即：

$\frac{1}{s}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f}$

其中f是复合光子筛的焦距，优选为100μm，s优选为500μm，v优选为125μm。

在本实施例中，复合光子筛包括透光衬底和镀在该透光衬底上的不透光的金属薄膜。透光衬底为直径1英寸，厚度100μm的石英，不透光的金属薄膜为80nm厚的铬，金属薄膜上分布一系列透光环带和若干透光小孔，如图3所示，黑色区域为不透光的金属薄膜，白色区域为透光环带及透光小孔，透光小孔均位于半径最小的透光环带内部。透明小孔构成复合光子筛的内环即一级衍射光子筛部分，透光环带构成复合光子筛的外环即三级衍射波带片部分。

透光小孔为平面式透光小孔，随机分布在内半径为r_n，外半径为r_n′的环带上，所有小孔之间不重叠，可以紧密排列或者稀疏排列，且圆心落在各环带的中心线上，其中：

$r_n^2=2\mathrm{n\λf}+n^2{\mathrm{\λ}}^2,$

$r_n^{\′2}=(2n+1)\mathrm{\λf}+\frac{1}{4}{(2n+1)}^2{\mathrm{\λ}}^2,(n=\mathrm{1,2},...,N)$

其中λ为照明系统产生的入射光的波长，f为复合光子筛的焦距，N是内环一级衍射光子筛的总环带数。对应于第n个环带上的小孔直径为：d_n＝1.5(r_n′-r_n)，内环一级衍射光子筛的总环带数N为满足d_N≥Δr且d_N+1＜Δr的自然数，其中Δr为制造工艺所允许的最小线宽。λ优选为193nm，f优选为100μm。对应于第n个环带上的小孔直径为：d_n＝1.5(r_n′-r_n)。

透光环带为平面式环带，每一透光环带的内半径为r_m，外半径为r_m′。其中，， $r_m^2=(2N-2+6m)\mathrm{\λf}+\frac{1}{4}{(2N-2+6m)}^2{\mathrm{\λ}}^2$ $r_m^{\′2}=(2N-2+6m+3)\mathrm{\λf}+\frac{1}{4}{(2N-2+6m+3)}^2{\mathrm{\λ}}^2,$ (m＝1，2，…，M)，其中λ为照明系统产生的入射光的波长，f为复合光子筛的焦距，M是外环三级衍射波带片的总环带数。

环带宽度w_m＝r_m′-r_m，外环三级衍射波带片的总环带数M为满足w_M≥Δr且w_M+1＜Δr的自然数，其中Δr为制造工艺所允许的最小线宽。Δr优选为300nm，则光子筛部分的总环带数N＝73，波带片部分的总环带数M＝461。

在上述实施例中，照明系统1、掩模板2、复合光子筛3和衬底4是由上至下依次放置的，在实际应用中，照明系统1、掩模板2、复合光子筛3和衬底4也可以按任意方向依次放置，例如图4所示的由左至右依次水平放置，只要掩膜板2与复合光子筛之间的距离s以及复合光子筛与衬底之间的距离v应该满足物象关系

即可。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种复合光子筛投影式光刻系统，其特征在于，该系统包括依次放置的照明系统(1)、掩模板(2)、复合光子筛(3)和衬底(4)，其中：

照明系统(1)，用于产生入射光，并将该入射光照射至掩模板(2)；

掩模板(2)，用于提供复合光子筛(3)成像的物方，入射光透过掩模板(2)后被照射至复合光子筛(3)；

复合光子筛(3)，用于实现成像功能，将掩模板(2)上的图形在衬底(4)上成像；

衬底(4)，用于接收复合光子筛(3)对掩模板(2)上图形所成的像；

其中，所述复合光子筛(3)包括透光基底和镀在该透光基底上的不透光的金属薄膜；所述金属薄膜上分布有一系列透光环带和若干透光小孔，该若干透光小孔构成该复合光子筛(3)的一级衍射光子筛部分，该透光环带构成复合光子筛(3)的三级衍射波带片部分；所述若干透光小孔均位于半径最小的透光环带内。

2.根据权利要求1所述的复合光子筛投影式光刻系统，其特征在于，所述透光小孔为平面式透光小孔，随机分布在内半径为r_n，外半径为r_n′的环带上，所有透光小孔之间不重叠，紧密排列或者稀疏排列，且圆心落在各环带的中心线上，其中： $r_n^2=2\mathrm{n\λf}+n^2{\mathrm{\λ}}^2,$ ${r^{\′}}_n^2=(2n+1)\mathrm{\λf}+\frac{1}{4}{(2n+1)}^2{\mathrm{\λ}}^2,$ n＝1、2、……、N；λ为照明系统(1)产生的入射光的波长，f为复合光子筛(3)的焦距，N为内环一级衍射光子筛的总环带数，且N为满足d_N≥Δr且d_N+1＜Δr的自然数，Δr为制造工艺所允许的最小线宽，对应于第n个环带上的透光小孔的直径d_n＝1.5(r_n′-r_n)。

3.根据权利要求1所述的复合光子筛投影式光刻系统，其特征在于，所述透光环带为平面式环带，每一透光环带的内半径为r_m，外半径为r_m′，其中：

$\begin{array}{c}{r}_m^2=(2N-2+6m)\mathrm{\λf}+\frac{1}{4}{(2N-2+6m)}^2{\mathrm{\λ}}^2,\\ {r^{\′}}_m^2=(2N-2+6m+3)\mathrm{\λf}+\frac{1}{4}{(2N-2+6m+3)}^2{\mathrm{\λ}}^2,\end{array}$

透光环带的宽度w_m＝r_m′-r_m，

m＝1、2、……、M；λ为照明系统(1)产生的入射光的波长，f为复合光子筛(3)的焦距，M是外环三级衍射波带片的总环带数，且M为满足w_M≥Δr且w_M+1＜Δr的自然数，Δr为制造工艺所允许的最小线宽，N为内环一级衍射光子筛的总环带数。

4.根据权利要求1所述的复合光子筛投影式光刻系统，其特征在于，所述透光基底采用透光材料制作而成，该透光材料为熔融石英、普通玻璃或有机玻璃。

5.根据权利要求1所述的复合光子筛投影式光刻系统，其特征在于，所述不透光的金属薄膜采用铬、金、铝或铜制作而成，所述不透光的金属薄膜的厚度应足够大，以完全遮挡入射光。

6.根据权利要求1所述的复合光子筛投影式光刻系统，其特征在于，所述复合光子筛(3)具有金属薄膜的一面面向衬底(4)放置。

7.根据权利要求1所述的复合光子筛投影式光刻系统，其特征在于，所述掩模板(2)与复合光子筛(3)之间的距离s以及复合光子筛(3)与衬底(4)之间的距离v满足物象关系，即：

$\frac{1}{s}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f}$

其中f是复合光子筛(3)的焦距。

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